JP2004087735A

JP2004087735A - Semiconductor device

Info

Publication number: JP2004087735A
Application number: JP2002245877A
Authority: JP
Inventors: Hironori Sekiya; 関谷　洋紀; Hiroyuki Hiramoto; 平本　裕行; Toshio Shimizu; 清水　敏夫; Toshiharu Obe; 大部　利春; Nobumitsu Tada; 田多　伸光
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable semiconductor device having the excellent electric characteristics and thermal characteristics. <P>SOLUTION: A conductive material 19 for mounting in which a semiconductor element 111 is allocated is connected with a heat radiating material (heat sink) 13 (or a cooling material 15) with a heat radiating insulator sheet 17 which is formed with the pressurized molding process in the thickness of 80% or less for the initial thickness of a basic material. Accordingly, this heat radiating insulator sheet 17 ensures the thermal conductivity of 3Wm/K or more and insulation breakdown strength of 30 kV/mm or more. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、詳しくはインバータなどに用いられるパワートランジスタ、サイリスタ、パワーモジュール、パワーＩＣなどを対象とした電力用の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力用の半導体装置は、たとえば、様々な家電機器や、省エネルギーダイレクトドライブモータ、インテリジェント・アクチュエータ、車両モータ駆動用制御装置など、各種インバータ制御の電力機器に使用されていて、パワーデバイスと称されている。
【０００３】
図１０は、従来のこの種の半導体装置として、主に中、大容量分野で適用されている半導体装置の一例を示す断面図である。この半導体装置を使用した中、大容量の電力機器は、たとえば、圧延ライン、半導体製造など大工場の電源装置、車両やエレベータなどの産業機器の電源装置に使用されている。
【０００４】
この従来の半導体装置１００は、通常、ポリフェニレンサルファイドまたはポリブチレンテレフタレートなどの絶縁樹脂が用いられた外装ケース１０１と金属板の放熱体１０３が組み合わされ、各電子部品は外装ケース１０１内部に納められている。放熱体１０３は、さらに冷却器１０５に組み付けられている。
【０００５】
放熱体１０３上には、絶縁基板１０７がはんだなどにより接合され、絶縁基板１０７上に導電箔１０９を介して、回路部品である半導体素子１１１とボンディングワイヤ１１３が配置されている。そして、外部接続端子１１５を設置した上で、外装ケース１０１内部にシリコーンゲル、エポキシ樹脂などの絶縁樹脂１１７が充填されている。
【０００６】
絶縁樹脂１１７は、さらにエポキシ樹脂などの封止樹脂１１９により封止され、この封止樹脂１１９上に外装ケースと同種または異なる材料からなる端子ホルダ１２１が固定されている。これにより比較的優れた電気的特性、信頼性を示す半導体装置を得ている。
【０００７】
図１１は、主として小容量分野で適用されている従来の半導体装置の構成の一例を示す断面図である。半導体装置を使用した小容量の家電機器は、広く一般家庭において使用されている。
【０００８】
この従来の小容量の半導体装置２００は、通常、４２アロイや銅などの金属表面にニッケルメッキなどを施したリードフレーム２０１上に、半導体素子１１１およびボンディングワイヤ１１３からなる回路部品が搭載され、放熱体２０３または冷却器２０５とともに全体をエポキシ樹脂などの絶縁樹脂２０７で封止成形した構造としている。これにより、比較的優れた電気的特性、信頼性を示す半導体装置を得ている。
【０００９】
ところで、半導体素子の動作温度が１００℃を越えるような高温かつ高電圧（ｋＶクラスの高電圧）で使用される電力用半導体装置の場合には、半導体素子と放熱体の間に、半導体素子の発熱をすみやかに放熱体に逃がし、かつ高い絶縁性を有する材料が用いられている。
【００１０】
このため、図１０に示した中、大容量用の半導体装置においては、絶縁基板１０７として熱伝導性と絶縁特性に優れた窒化アルミニウムなどからなる材料を用い、放熱体１０３と冷却器１０５の間に熱伝導性グリース１２３を介在させることで、放熱体１０３から冷却器１０５へ効率よく熱を逃がすことができるようにしている。なお、放熱体１０３と冷却器１０５はネジ止めされている。
【００１１】
また、図１１に示した小容量用の半導体装置においては、できる限りリードフレーム２０１と放熱体２０３の間の絶縁ギャップ２０９を薄くするとともに、絶縁樹脂２０７の熱伝導特性を高くすることにより、放熱性の向上が試みられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の半導体装置には次のような問題点がある。
【００１３】
まず、半導体装置は、半導体素子の動作限界に近い動作温度で使用することを考慮して、図１０に示した中、大容量用の半導体装置においては、絶縁基板１０７を可能な限り薄くすることが望まれている。しかし、従来の絶縁基板１０７は、脆性の大きな窒化アルミニウムなどセラミック系材料などを用いているために、これを薄くすると、少しの応力でも絶縁基板１０７が破壊しやすくなるといった問題がある。
【００１４】
また、放熱体１０３を熱伝導性グリース１２３を介して冷却器１０５にネジ止めする方法は、放熱性の向上に限界があり、さらにはモータ近傍など振動があるような環境下における使用時に、ネジの緩みから密着性が悪くなり放熱性の低下が懸念される。また、この熱伝導性グリース１２３は、冷却器へ塗布する際や絶縁性グリース１２３を塗布後放熱体１０３を冷却器１０５に設置する際などに気泡を巻き込まないようにする必要があり、製造工程上の難しさや、気泡を巻き込んだ場合の放熱性の低下などの問題もある。
【００１５】
これと並んで、高電圧で使用するにあたっては導電箔１０９端部から絶縁基板１０７端部までの絶縁距離を長くする必要があるのに対し、窒化アルミニウムなどセラミック系材料による絶縁基板１０７は、上述した応力による破壊のため、薄くなるほど基板として実用に耐える大きさは小さくなる。このため絶縁基板１０７の厚さと面積の関係において高い放熱性と高電圧を絶縁可能な大きさの両立が困難である言う問題がある。
【００１６】
このような問題点は、図１１に示した比較的小容量の半導体装置でも同様であり、半導体素子の動作限界近い１５０℃付近まで動作温度が高くなるにつれて、絶縁樹脂２０７を薄くするとともに熱伝導性を高めることにより放熱性を高める必要がある。
【００１７】
しかし、通常、エポキシ樹脂などの絶縁樹脂材料は熱伝導性が高くなるにつれて粘度が大きくなり、リードフレーム２０１と放熱体２０３の間の絶縁ギャップ２０９に絶縁樹脂２０７を充填する際の製造過程を考えた場合、実用性に問題がある。このため、絶縁ギャップ２０９の薄さと熱伝導性の高さの関係を両立させることが困難となる。
【００１８】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来困難であった高電圧と半導体素子の動作限界近い動作温度をともに可能にして、半導体素子の放熱不足に起因した半導体装置の特性劣化、誤作動や信頼性低下を無くし、優れた電気特性、耐久性、信頼性を持つ半導体装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、半導体素子が配置されるマウント手段と、前記半導体素子の熱を前記マウント手段から放熱するための放熱手段と、前記マウント手段と放熱手段を接続し、基材の初期厚さに対して８０％以下の厚さに加圧成形されているシート状放熱絶縁手段と、を有することを要旨とする半導体装置により達成される。
【００２０】
この発明は、半導体素子を配置しているマウント手段と、このマウント手段から半導体素子の熱を逃がすための放熱手段とを、基材の初期厚さの８０％以下になるまであらかじめ加圧処理が施されたシート状放熱絶縁手段を用いて接続することで、熱伝導率３Ｗ・ｍ／Ｋ以上で、かつ絶縁破壊強度３０ｋＶ／ｍｍをともに得ることができるようにして、放熱性を高め、かつ耐久性、信頼性を向上させようとするものである。
【００２１】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の半導体装置において、前記マウント手段は、導電体であることを要旨とする。
【００２２】
この発明は、半導体素子を導電体上にマウントした構造の半導体装置において、基材の初期厚さに対して８０％以下の厚さに加圧成形されているシート状放熱絶縁手段により、半導体素子が配置されている導電体と放熱手段を接続することで、放熱性を高め、かつ耐久性、信頼性を向上させようとするものである。
【００２３】
請求項３記載の本発明は、請求項１記載の半導体装置において、前記マウント手段は、導電箔を介して前記半導体素子がマウントされる絶縁基板であることを要旨とする。
【００２４】
この発明は、半導体素子を導電箔を介して絶縁基板にマウントした構造の半導体装置において、基材の初期厚さに対して８０％以下の厚さに加圧成形されているシート状放熱絶縁手段により、半導体素子が配置されている絶縁基板と放熱手段を接続することで、放熱性を高め、かつ耐久性、信頼性を向上させようとするものである。
【００２５】
請求項４記載の本発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置において、前記マウント手段は、放熱体を含み、前記シート状放熱絶縁手段は、当該放熱体と前記放熱手段を接続することを要旨とする。
【００２６】
この発明は、半導体素子を配置したマウント手段に放熱体が設けられている構造の半導体装置において、この放熱体にさらにシート状放熱絶縁手段を介して放熱手段を接続することで、放熱性を高め、かつ耐久性、信頼性を向上させようとするものである。
【００２７】
請求項５記載の本発明は、請求項１記載の半導体装置において、前記マウント手段は、金属フレームであることを要旨とする。
【００２８】
この発明は、半導体素子を金属フレームにマウントした構造の半導体装置において、基材の初期厚さに対して８０％以下の厚さに加圧成形されているシート状放熱絶縁手段により、半導体素子が配置されている金属フレームと放熱手段を接続することで、放熱性を高め、かつ耐久性、信頼性を向上させようとするものである。
【００２９】
請求項６記載の本発明は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置において、前記シート状放熱絶縁手段は、前記放熱手段上にシート状放熱絶縁手段となる基材を載置した後、加圧成形されていることを要旨とする。
【００３０】
この発明は、シート状放熱絶縁手段を放熱手段上に載置した後、そのまま加圧成形したものを用いることで、シート状放熱絶縁手段を空隙なく放熱手段と一体化させ、部分放電などの発生を抑制して電気特性および放熱性の高い半導体装置が得られるようにしようとするものである。
【００３１】
請求項７記載の本発明は、請求項５記載の半導体装置において、前記半導体素子は、絶縁樹脂により封止されており、前記シート状放熱絶縁手段は、前記絶縁樹脂の封止圧力により加圧成形されていることを要旨とする。
【００３２】
この発明は、半導体素子が樹脂封止された構造の半導体装置において、シート状放熱絶縁手段の加圧成形をこの樹脂封止の際の封止圧力により行ったものを用いることで、生産性をも向上させようとするものである。
【００３３】
請求項８記載の本発明は、請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置において、前記シート状放熱絶縁手段は、多層構造であることを要旨とする。
【００３４】
この発明は、シート状放熱絶縁手段を多層構造とすることで、よりいっそうの絶縁性の向上と信頼性の向上を図ろうとするものである。
【００３５】
請求項９記載の本発明は、請求項８記載の半導体装置において、前記シート状放熱絶縁手段は、他の層より熱伝導性の高い第１の層と、前記第１の層より絶縁性の高い第２の層との組み合わせであることを要旨とする。
【００３６】
この発明は、高熱伝導性を主な機能とした第１の層と、高絶縁性を主な機能とした第２の層を組み合わせることにより、単一層に両機能を持たせる構成に比べてより優れた熱伝導性と絶縁性を持つようにしようとするものである。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３８】
なお、以下の図面の記載において、同じ機能を有する部材には同一の符号を付した。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を斜酌して判断すべきものである。さらに、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００３９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態における半導体装置の断面図である。
【００４０】
この半導体装置１は、放熱手段である放熱体１３の表面に、シート状放熱絶縁手段であるシート状放熱絶縁体１７によってマウント手段であるマウント用導電体１９が接着されている。マウント用導電体１９上には、回路部品である半導体素子１１１、ボンディングワイヤ１１３が配置されている。
【００４１】
半導体素子１１１およびボンディングワイヤ１１３が配置されたマウント用導電体１９は、外装ケース２１の中に収納されており、外装ケース２１は放熱体１３に取り付けられる。
【００４２】
外装ケース２１にはさらに、外部との電気的な接続を行うための外部接続端子２３が挿入されており、ボンディングワイヤ１１３により電気的に回路部品と接続されている。そして、外装ケース２１内部は絶縁樹脂２５が充填されている。
【００４３】
ここで放熱体１３としては、たとえば、アルミニウム、銅、ＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（金属基複合材料））である。なお、放熱手段としては、放熱体１３の代わりに冷却器１５を用いてもよい。冷却器１５としてはアルミニウムなどの金属体で形成された空冷や水冷のヒートシンクが適している。
【００４４】
シート状放熱絶縁体１７は、シート製造時に、シート状放熱絶縁体１７となる基材の初期厚さに対して８０％以下の厚さになるまで加圧成形されたものである。
【００４５】
このシート状放熱絶縁体１７の基材としては、絶縁性、接着性に優れたエポキシ樹脂が好ましく、たとえばクレゾールノボラック形、フェノールノボラック形、ビフェニル形、ジシクロペンタジエン形、ナフタレン形などのグループから選択された少なくとも１種類のエポキシ樹脂を主剤として用い、これらに硬化剤として、酸または酸無水物類、フェノール類、アミン類、ポリアミノアミド類、ジシアンジアミド、イミダゾール類を用い、硬化促進剤としてイミダゾール化合物、３級アミン、リン化合物などを用いる。
【００４６】
さらにシート状放熱絶縁体１７の基材には、熱伝導性を保たせるための充填材が含まれており、充填材としては、たとえば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナなどが好適である。また、これらに加えて、たとえば、溶融シリカ粉末、石英粉末、ガラス粉末、ガラス短繊維などを組み合わせてもよい。
【００４７】
さらにシート状放熱絶縁体１７の基材には、低応力化剤、難燃剤、カップリング剤、離型材、顔料のうち少なくとも１つを加えることが可能であり、さらにまた低応力化剤として、シリコーン、ゴム、ポリオレフインなどの粒子あるいはオイルなどを加えてもよい。
【００４８】
また、シート状放熱絶縁体１７の基材には、難燃剤を加えてもよく、難燃剤としては、たとえば、臭素系、塩素系などのハロゲン系難燃剤、無機系難燃剤などが用いられる。
【００４９】
さらには、シランなどのカップリング剤、離型材として各種ワックス類、カーボンブラックなどの顔料などが使用される。
【００５０】
マウント用導電体１９には、銅などの金属箔または金属板が好適である。そして、金属箔または金属板は、ボンディングワイヤ１１３との接続のために表面にニッケルなどのメッキ処理が施されていることが好ましい。
【００５１】
なお、マウント用導電体１９は、仕様によっては複数に分割され、それぞれ分割されたパターン上に電力用半導体素子や制御用半導体素子を配置する構成であってもよい。
【００５２】
半導体素子１１１は、たとえば、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、パワーＢＪＴ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ＳＩサイリスタ、ダイオードなどの種々のパワーデバイスが使用可能である。
【００５３】
また、この半導体装置内には、制御回路、たとえば、ｎＭＯＳ制御回路、ｐＭＯＳ制御回路、ＣＭＯＳ制御回路、パイポーラ制御回路、ＢｉＣＭＯＳ制御回路、ＳＩＴ制御回路などが使用できる。これらの制御回路には過電圧保護回路、過電流保護回路、過熱保護回路が含まれていてもよい。
【００５４】
また、半導体素子１１１以外に、たとえば、抵抗、コンデンサやコイルなどの各種電子部品など、さらに電源などの回路が搭載されていてもよいし、電力半導体素子のみを搭載した単なるモジュール構成でもよい。
【００５５】
ボンディングワイヤ１１３は、たとえば、金、銅、アルミニウムなどの金属線が用いられる。また、ボンディングワイヤ１１３としては、ワイヤのかわりに金、銅、アルミニウムなどの金属リボンやこれに類似の帯状形状の材料からなるボンディング帯でもよい。
【００５６】
外装ケース２１としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド、ポリプチレンチレフタレートなどを主成分とし、さらに必要に応じ無機質フイラーを充填した材料が好適である。
【００５７】
絶縁樹脂２５としては、たとえばシリコーンゲル、シリコーンゴム、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などが好適である。
【００５８】
図２は、シート状放熱絶縁体１７の熱伝導率と平均絶縁破壊強度の相関性を調べた結果を示す図面である。
【００５９】
まず、同図から明らかなように、加圧処理を施していないシート状放熱絶縁体の場合、熱伝導率０〜２Ｗ・ｍ／Ｋの領域における絶縁破壊強度は３０ｋＶ／ｍｍ以上であるが、２Ｗ・ｍ／Ｋ〜３Ｗ・ｍ／Ｋ付近で著しい低下を生じ、３Ｗ・ｍ／Ｋを越える領域においては１０ｋＶ／ｍｍ程度を示している。
【００６０】
これに対して本発明の第１の実施の形態の半導体装置に使用しているシート状放熱絶縁体１７では、熱伝導率が２Ｗ・ｍ／Ｋ〜３Ｗ・ｍ／Ｋ、およびそれ以降においても絶縁破壊強度の低下が抑制され、絶縁破壊強度３０ｋＶ／ｍｍを維持しており、高い熱伝導率領域まで著しい低下はない。
【００６１】
図３は、熱伝導率３Ｗ・ｍ／Ｋを持つシート状放熱絶縁体の加圧処理後の厚さと平均絶縁破壊強度の関係を調べた結果を示す図面である。
【００６２】
この図から明らかなように、熱伝導性を持たせる充填材として、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナなどを加えたシート状放熱絶縁体は、一定の加圧処理を加えることで高い絶縁特性が得られることがわかる。すなわち、シート状放熱絶縁体は、基材の初期厚さに対して、８０％以下まで加圧圧縮されることで、絶縁破壊強度３０ｋＶ／ｍｍ以上となっている。なお、図３において、初期厚さに対する加圧後の厚さが８０％の時の絶縁破壊強度のばらつきのうち最小値は３５ｋＶ／ｍｍであった。
【００６３】
このことから、シート状放熱絶縁体１７は基材の初期厚さに対して８０％以下になるまで加圧処理を行うことで、絶縁破壊強度３０ｋＶ／ｍｍ以上に維持することが可能になることがわかる。なお、加圧処理後の厚さの下限値は、図３からわかるように、初期厚さの８０％以下となっていればどのような厚さでも十分な絶縁破壊強度が得られていることから特に規定されるものではなく、加圧処理の際の物理的な限界値が下限値となる。
【００６４】
図４は、従来技術を用いた半導体装置（比較例）と、本第１の実施の形態としての半導体装置について、温度サイクル−４０℃〜１２５℃を繰り返し加えて、一定サイクル毎に絶縁破壊強度を調べた結果を示す図面である。
【００６５】
この図から明らかなように、比較例では、サイクル数が５００回を越えた辺りから絶縁破壊強度の低下が見られるのに対し、本第１の実施の形態による半導体装置では、１０００回に達しても十分な絶縁破壊強度を保っている。これは、比較例においては温度サイクルを繰り返すことによって絶縁基板にクラックなどが発生して絶縁性能が低下したものと見られる。一方、本第１の実施の形態による半導体装置ではこうした劣化がなく、温度サイクルが繰り返された場合でも十分な絶縁破壊強度を保つことができるものである。
【００６６】
ここで、本第１の実施の形態における半導体装置１の製造方法について説明する。
【００６７】
図５は、本第１の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための概略図である。
【００６８】
まず、図５（ａ）に示すように、放熱体１３または冷却器１５上に、シート状放熱絶縁体１７となる基材１７ａを載置し、この基材１７ａを、たとえば、熱プレス、真空成形、カレンダー成形などの方法によって基材の初期厚さから８０％以下となるまで加圧して、図５（ｂ）シート状放熱絶縁体１７を成形する。加圧成形後、シート状放熱絶縁体１７は完全硬化することなくエポキシ樹脂のＢステージ状態を維持することが必要である。
【００６９】
この製造方法により、シート状放熱絶縁体を空隙なく放熱体あるいは冷却器に一体化でき、部分放電などの発生を抑制して電気特性および放熱性も高い半導体装置が得られる。
【００７０】
以上のように、本第１の実施の形態における半導体装置は、半導体素子をマウントしたマウント用導電体と放熱体または冷却器を、基材の初期厚さから８０％以下となるまで加圧成形したシート状放熱絶縁体により接続したので、放熱性の向上と高い絶縁特性を両立することができる。また、シート状放熱絶縁体がシート状であることから製造時に気泡が入ることがないので製造時の絶縁性低下が起こるようなこともない。また、振動の多い場所におけるネジの緩みなどによる放熱性の低下も起きにくく、高い信頼性を得ることができる。
【００７１】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明を適用した第２の実施の形態における半導体装置の断面図である。
【００７２】
第２の実施の形態における半導体装置２は、半導体素子１１１、ボンディングワイヤ１１３が導電箔３３ａを介して絶縁基板３１上に配置され、この絶縁基板３１は、導電箔３３ｂを介して放熱体１３に取り付けられている。したがって、本第２の実施の形態においては、半導体素子１１１が配置されるマウント手段として放熱体１３を含むものである。
【００７３】
そして、この放熱体１３は、シート状放熱絶縁手段であるシート状放熱絶縁体１７を介して放熱手段である冷却器１５に取り付けられており、このシート状放熱絶縁体１７が放熱体１３と冷却器１５の間を接着している。
【００７４】
その他構成は、第１の実施の形態と同様であるので説明は省略するが、シート状放熱絶縁体１７は、前述した第１の実施の形態と同じく、シート状放熱絶縁体１７となる基材の初期厚さに対して８０％以下となるように加圧成形されたものである。
【００７５】
本第２の実施の形態における半導体装置２においても、第１の実施の形態には及ばないものの、絶縁破壊強度を向上させることが可能となる。しかもシート状放熱絶縁体１７を放熱体１３と冷却器１５の間に入れただけなので、第１の実施の形態の半導体装置よりも容易に製造することができる。また、これだけで放熱性を向上させることができるので、絶縁基板１７をこれまでより厚くして強度を上げることが可能となる。
【００７６】
この半導体装置２の製造方法は、前述した第１の実施の形態と同様でよく、冷却器１５上にシート状放熱絶縁体１７の基材を載置し、この基材１７ａを、たとえば、熱プレス、真空成形、カレンダー成形などの方法によって基材の初期厚さから８０％以下となるまで加圧後、半導体装置としての構成部材が形成された放熱体１３をシート状放熱絶縁体１７に押し付けることで、半導体装置２が完成する。
【００７７】
なお、本第２の実施の形態においては、半導体素子１１１およびボンディングワイヤ１１３を導電箔３３ａを介して絶縁基板３１に配置しているが、これに代えて導電性基板を用いて半導体素子を配置してもよい。
【００７８】
また、本第２の実施の形態においては、放熱体１３と冷却器１５の間にのみシート状放熱絶縁体を設けたが、さらに半導体素子をマウントしている絶縁基板３１と放熱体１３の間にもシート状放熱絶縁体１７を設けるようにしてもよい。このようにすることで、よりいっそう放熱性の向上と高い絶縁特性を得ることが可能となる。
【００７９】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明を適用した第３の実施の形態における半導体装置の断面図である。
【００８０】
第３の実施の形態における半導体装置３は、放熱手段である放熱体４３の表面にシート状放熱絶縁手段であるシート状放熱絶縁体１７によってマウント手段であるリードフレーム４１が接着されている。リードフレーム４１上には、半導体素子１１１およびボンディングワイヤ１１３が配置されている。
【００８１】
シート状放熱絶縁体１７は、前述した第１の実施の形態と同じく、シート状放熱絶縁体１７となる基材の初期厚さに対して８０％以下となるように加圧成形されたものである。
【００８２】
リードフレーム４１上の少なくとも半導体素子１１１およびボンディングワイヤ１１３の部分は、絶縁樹脂４７により封止成形されている。
【００８３】
リードフレーム４１としては、４２アロイや銅などの金属が適しており、表面にニッケルメッキなどを施していてもよい。
【００８４】
なお、放熱体４３の代わりに冷却器４５としてもよい。
【００８５】
絶縁樹脂４７としては、エポキシ樹脂が好ましく、たとえばクレゾールノボラック形、フェノールノボラック形、ビフェニル形、ジシクロペンタジエン形、ナフタレン形などのグループから選択された少なくとも１種類のエポキシ樹脂を主剤として用い、硬化剤として、たとえば、酸または酸無水物類、フェノール類、アミン類、ポリアミノアミド類、ジシアンジアミド、イミダゾール類を用い、これに硬化促進剤としてイミダゾ―ル化合物、３級アミン、リン化合物などを用いる。
【００８６】
さらに充填材として、たとえば、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、アルミナ、溶融シリカ粉末、石英粉末、ガラス粉末、ガラス短繊維など、またはこれらを組み合わせて用いてもよい。
【００８７】
さらに低応力化剤、難燃剤、カップリング剤、離型材、顔料のうち少なくとも１つを加えることが可能であり、低応力化剤としてシリコーン、ゴム、ポリオレフインなどの粒子あるいはオイルなどを加えてもよい。難燃剤には、たとえば、臭素系、塩素系などのハロゲン系難燃剤、無機系難燃剤などが用いられる。
【００８８】
さらに、シランなどのカップリング剤、離型材としての各種ワックス類、カーボンブラックなどの顔料などを加えてもよい。
【００８９】
なお、絶縁樹脂４７は、放熱体４３または冷却器４５にいたる全体を封止した構成でもよい。
【００９０】
封止成形の方法としてはトランスファー成形法が好適である。トランスファー成形法を用いる場合は、その成形圧力によって、シート状放熱絶縁体１７の加圧成形が可能であり、半導体装置の製造とシート状放熱絶縁体の加圧処理を同時に行うことができる。このため、別工程によりシート状放熱絶縁体を加圧処理する場合と比較して、半導体装置の歩留まりが向上し大量生産に好適である。
【００９１】
このように構成された第３の実施の形態における半導体装置３においても、前述した第１の実施の形態と同様に、リードフレーム４１と放熱体１３または冷却器１５を、初期厚さの８０％以下になるまで加圧成形したシート状放熱絶縁体１７により接続したので、放熱性の向上と高い絶縁特性を両立し、しかも高い信頼性を得ることができる。
【００９２】
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態は、上述した各実施の形態における半導体装置に設けたシート状放熱絶縁体１７を３層構造としたものである。
【００９３】
図８は、本第４の実施の形態によるシート状放熱絶縁体の断面図である。
【００９４】
このシート状放熱絶縁体１７は、図示するように、第１ラミネート７１、第２ラミネート７３、および第３ラミネート７５の３層で構成されている。
【００９５】
図９は、このように３構造としたシート状放熱絶縁体と単一層のシート状放熱絶縁体との絶縁破壊強度を測定した結果を示す図面である。
【００９６】
３層構造としたシート状放熱絶縁体は１層構造のシート状放熱絶縁体に比較して、絶縁破壊強度のばらつきが少なく、しかも平均値（図中の黒四角印）も１層構造シート状放熱絶縁体よりも高い。
【００９７】
このことから、シート状放熱絶縁体１７を３層構造としたことによって、ボイドなどの初期欠陥によると思われる特性ばらつきが低減され、より優れた絶縁特性と信頼性を持つことがわかる。
【００９８】
さらに本第５の実施の形態である多層ラミネート構造としたシート状放熱絶縁体においては、たとえば第１ラミネート層７１および第２ラミネート層７３を４Ｗ・ｍ／Ｋクラスの高熱伝導率とし、第３ラミネート層７５は２Ｗ・ｍ／Ｋ以下の熱伝導率であるかわりに１００ｋＶ／ｍｍ前後の高い絶縁破壊強度を持つものとして、シート状放熱絶縁体１７全体として３Ｗ・ｍ／Ｋクラスの熱伝導率と３０ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊強度を得る構造とするなど、熱伝導率と絶縁破壊強度の異なる層をラミネートしたものであってもよい。
【００９９】
このような層ごとに異なる特性のシート状放熱絶縁体は、たとえば充填材の種類、充填量の調整により実施することが可能である。
【０１００】
また、３層以外にも２層としたり、または、３層以上のさらに多層構造としてもよい。
【０１０１】
なお、層構造としたシート状放熱絶縁体１７、あらかじめ基材の状態でこのような層構造とし、これを加圧処理することで、基材の初期厚さに対して８０％以下の厚さにする。加圧処理自体は、すでに説明した各実施の形態で説明したものと同じである。
【０１０２】
このようにシート状放熱絶縁体１７を層構造としたことにより、より優れた絶縁特性と信頼性を得ることができる。
【０１０３】
また、シート状放熱絶縁体１７を層構造としたことにより、各層のいずれかまたは全部にボイドや異物混入などの製造時初期欠陥が万一含まれていた場合でも、他の層にボイドや異物混入がなければ、または、ボイドや異物混入場所が複数の層に亘り一致していない限り絶縁保護は可能であり、単一層よりも高い絶縁性と信頼性を得ることができる。
【０１０４】
以上本発明を適用した実施の形態を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲において当業者が、上記各実施の形態の要素を組み合わせ、あるいは変更することが可能である。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、数十ｋＶ／ｍｍを越える高絶縁破壊強度化と高熱伝導率を両立し、さらに、耐久性および信頼性が向上し、かつ製造性にも優れた半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態における半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施の形態におけるシート状放熱絶縁体の熱伝導率−絶縁破壊強度の関係を示す図面である。
【図３】第１の実施の形態におけるシート状放熱絶縁体の絶縁破壊強度試験の結果を示す図面である。
【図４】第１の実施の形態による半導体装置と従来の半導体装置の絶縁破壊強度試験の結果を示す図面である。
【図５】第１の実施の形態に係わるシート状放熱絶縁体の製造方法を説明するための図面である。
【図６】本発明を適用した第２の実施の形態における半導体装置の断面図である。
【図７】本発明を適用した第３の実施の形態における半導体装置の断面図である。
【図８】本発明を適用した第４の実施の形態におけるシート状放熱絶縁体の断面図である。
【図９】第４の実施の形態におけるシート状放熱絶縁体の絶縁破壊強度試験の結果を示す図面である。
【図１０】従来の半導体装置を示す断面図である。
【図１１】従来の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１、２、３　半導体装置
１３、４３　放熱体
１７　シート状放熱絶縁体
３１　絶縁基板
１９　マウント用導電体
１１１　半導体素子
１１３　ボンディングワイヤ
２１　外装ケース
２３　外部接続端子
２５、４７　絶縁樹脂
１５、４５　冷却器
３３ａ、３３ｂ　導電箔
４１　リードフレーム
７１　第１ラミネート層
７３　第２ラミネート層
７５　第３ラミネート層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a power semiconductor device for a power transistor, a thyristor, a power module, a power IC, or the like used for an inverter or the like.
[0002]
[Prior art]
Power semiconductor devices are used in various inverter-controlled power devices, such as various home appliances, energy-saving direct drive motors, intelligent actuators, and vehicle motor drive control devices, and are referred to as power devices. I have.
[0003]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a conventional semiconductor device of this type, which is mainly used in the medium and large capacity fields. Among these semiconductor devices, large-capacity power devices are used, for example, as power supply devices for large factories such as rolling lines and semiconductor manufacturing, and power supply devices for industrial equipment such as vehicles and elevators.
[0004]
In this conventional semiconductor device 100, an exterior case 101 using an insulating resin such as polyphenylene sulfide or polybutylene terephthalate and a radiator 103 made of a metal plate are combined, and each electronic component is housed inside the exterior case 101. I have. The radiator 103 is further assembled to the cooler 105.
[0005]
On the radiator 103, an insulating substrate 107 is joined by solder or the like, and a semiconductor element 111 as a circuit component and a bonding wire 113 are arranged on the insulating substrate 107 via a conductive foil 109. Then, after the external connection terminals 115 are installed, the inside of the outer case 101 is filled with an insulating resin 117 such as silicone gel or epoxy resin.
[0006]
The insulating resin 117 is further sealed with a sealing resin 119 such as an epoxy resin, and a terminal holder 121 made of the same or different material as the exterior case is fixed on the sealing resin 119. Thus, a semiconductor device having relatively excellent electrical characteristics and reliability is obtained.
[0007]
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a configuration of a conventional semiconductor device mainly applied in a small-capacity field. Small-capacity home appliances using semiconductor devices are widely used in ordinary households.
[0008]
In this conventional small-capacity semiconductor device 200, usually, a circuit component including a semiconductor element 111 and a bonding wire 113 is mounted on a lead frame 201 having a metal surface such as 42 alloy or copper plated with nickel or the like. The entire structure together with the body 203 or the cooler 205 is sealed and molded with an insulating resin 207 such as an epoxy resin. Thus, a semiconductor device having relatively excellent electrical characteristics and reliability is obtained.
[0009]
By the way, in the case of a power semiconductor device used at a high temperature and a high voltage (high voltage of the kV class) in which the operating temperature of the semiconductor element exceeds 100 ° C., the semiconductor element is placed between the semiconductor element and the radiator. A material having a high insulating property that allows heat to be quickly released to the heat radiator is used.
[0010]
For this reason, in the semiconductor device for a large capacity shown in FIG. 10, in the semiconductor device for a large capacity, a material made of aluminum nitride or the like having excellent thermal conductivity and insulating properties is used as the insulating substrate 107, and the material between the heat radiator 103 and the cooler 105 is used. The heat conductive grease 123 is interposed between the radiator 103 and the cooler 105 so that heat can be efficiently released. The radiator 103 and the cooler 105 are screwed.
[0011]
In the small-capacity semiconductor device shown in FIG. 11, the insulating gap 209 between the lead frame 201 and the heat radiating body 203 is made as thin as possible, and the heat conduction characteristic of the insulating resin 207 is made high. Attempts have been made to improve the performance.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional semiconductor device has the following problems.
[0013]
First, in consideration of the fact that the semiconductor device is used at an operating temperature close to the operating limit of the semiconductor element, in the medium-capacity semiconductor device shown in FIG. Is desired. However, since the conventional insulating substrate 107 is made of a ceramic material such as aluminum nitride having high brittleness, if the thickness is reduced, there is a problem that the insulating substrate 107 is easily broken by a small stress.
[0014]
Further, the method of screwing the heat radiator 103 to the cooler 105 via the heat conductive grease 123 has a limitation in improving the heat radiation property, and furthermore, when the heat radiator 103 is used in an environment where there is vibration such as in the vicinity of a motor, the screw is not used. Looseness causes poor adhesion, and there is a concern that heat dissipation may decrease. In addition, it is necessary to prevent air bubbles from being entrained when the heat conductive grease 123 is applied to a cooler or when the radiator 103 is installed in the cooler 105 after applying the insulating grease 123. There are also problems such as the above difficulty and a decrease in heat dissipation when air bubbles are involved.
[0015]
Along with this, when using at a high voltage, the insulation distance from the end of the conductive foil 109 to the end of the insulating substrate 107 needs to be long, whereas the insulating substrate 107 made of a ceramic material such as aluminum nitride is used as described above. Because of the destruction caused by the applied stress, the smaller the thickness, the smaller the size that can withstand practical use as a substrate. For this reason, there is a problem that it is difficult to achieve both high heat dissipation and high voltage insulation in relation to the thickness and area of the insulating substrate 107.
[0016]
Such a problem is the same in the semiconductor device having a relatively small capacity shown in FIG. 11, and as the operating temperature increases to around 150 ° C., which is close to the operating limit of the semiconductor element, the insulating resin 207 is made thinner and the heat conduction is reduced. It is necessary to improve the heat dissipation by increasing the heat dissipation.
[0017]
However, the viscosity of an insulating resin material such as an epoxy resin generally increases as the thermal conductivity increases, and the manufacturing process when filling the insulating gap 209 between the lead frame 201 and the heat radiating body 203 with the insulating resin 207 is considered. If so, there is a problem in practicality. For this reason, it is difficult to achieve both the relationship between the thickness of the insulating gap 209 and the high thermal conductivity.
[0018]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to enable both a high voltage and an operating temperature near the operating limit of a semiconductor element, which have been difficult in the past, to reduce heat dissipation of the semiconductor element. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having excellent electrical characteristics, durability, and reliability by eliminating characteristic deterioration, malfunction, and reduction in reliability of the semiconductor device due to the deterioration.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 includes mounting means for disposing a semiconductor element, heat radiating means for radiating heat of the semiconductor element from the mounting means, and mounting means and radiating means. And a sheet-shaped heat-dissipating insulating means connected to and press-formed to a thickness of 80% or less with respect to the initial thickness of the base material.
[0020]
According to the present invention, the mounting means for disposing the semiconductor element and the heat radiating means for releasing the heat of the semiconductor element from the mounting means are pre-pressurized until the thickness of the base material becomes 80% or less. By connecting using the applied sheet-shaped heat radiation insulating means, it is possible to obtain both a heat conductivity of 3 W · m / K or more and a dielectric breakdown strength of 30 kV / mm to enhance heat radiation, and It is intended to improve durability and reliability.
[0021]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device of the first aspect, the mounting means is a conductor.
[0022]
According to the present invention, in a semiconductor device having a structure in which a semiconductor element is mounted on a conductor, a semiconductor element is formed by a sheet-shaped heat radiation insulating means which is pressure-formed to a thickness of 80% or less with respect to an initial thickness of a base material. By connecting the conductor on which is disposed with the heat dissipating means, the heat dissipating property is improved, and the durability and reliability are improved.
[0023]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device of the first aspect, the mounting means is an insulating substrate on which the semiconductor element is mounted via a conductive foil.
[0024]
The present invention relates to a semiconductor device having a structure in which a semiconductor element is mounted on an insulating substrate via a conductive foil, and a sheet-shaped heat radiation insulating means which is pressure-molded to a thickness of 80% or less with respect to an initial thickness of the base material. Accordingly, by connecting the heat radiating means to the insulating substrate on which the semiconductor element is arranged, the heat radiating property is improved, and the durability and reliability are improved.
[0025]
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the mounting means includes a radiator, and the sheet-shaped radiating insulation means includes the radiator and the radiator. The point is to connect the means.
[0026]
According to the present invention, in a semiconductor device having a structure in which a heat radiator is provided on a mounting means on which a semiconductor element is arranged, a heat radiator is further connected to the heat radiator via a sheet-shaped heat radiating insulating means to improve heat radiation. Further, it is intended to improve durability and reliability.
[0027]
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor device of the first aspect, the mounting means is a metal frame.
[0028]
According to the present invention, in a semiconductor device having a structure in which a semiconductor element is mounted on a metal frame, the semiconductor element is formed by a sheet-like heat-dissipating insulating means which is pressure-formed to a thickness of 80% or less with respect to an initial thickness of the base material. By connecting the disposed metal frame and the heat radiating means, the heat radiating property is enhanced, and the durability and reliability are improved.
[0029]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the sheet-like heat radiation insulating means mounts a base material serving as a sheet heat radiation insulation means on the heat radiation means. After placing, the gist is that it is press-formed.
[0030]
According to the present invention, the sheet-shaped heat-dissipating insulation means is placed on the heat-dissipating means and then pressed and molded as it is, so that the sheet-shaped heat-dissipation and insulation means is integrated with the heat-dissipating means without gaps, and the occurrence of partial discharge, etc. And to obtain a semiconductor device having high electric characteristics and heat dissipation.
[0031]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the fifth aspect, the semiconductor element is sealed with an insulating resin, and the sheet-shaped heat radiation insulating means is pressurized by a sealing pressure of the insulating resin. The point is that it is molded.
[0032]
According to the present invention, in a semiconductor device having a structure in which a semiconductor element is sealed with a resin, a sheet-shaped heat-dissipating insulation unit is formed by pressure molding with a sealing pressure at the time of the resin sealing, thereby improving productivity. Is also to be improved.
[0033]
According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to seventh aspects, the sheet-shaped heat radiation insulating means has a multilayer structure.
[0034]
The present invention is intended to further improve the insulating property and the reliability by forming the sheet-shaped heat radiation insulating means into a multilayer structure.
[0035]
According to a ninth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the eighth aspect, the sheet-shaped heat radiation insulating means includes a first layer having a higher thermal conductivity than other layers, and a first layer having a higher thermal conductivity than the first layer. The gist is that it is a combination with a high second layer.
[0036]
The present invention combines a first layer whose main function is high thermal conductivity with a second layer whose main function is high insulation, thereby making the single layer have both functions. It is intended to have excellent thermal conductivity and insulation.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0038]
In the following description of the drawings, members having the same functions are denoted by the same reference numerals. Also, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined by observing the following description. Further, it is needless to say that dimensional relationships and ratios are different between drawings.
[0039]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
[0040]
In this semiconductor device 1, a mounting conductor 19 as a mounting means is adhered to a surface of a heat radiator 13 as a heat radiating means by a sheet heat radiating insulator 17 as a sheet heat radiating insulating means. A semiconductor element 111 as a circuit component and a bonding wire 113 are arranged on the mounting conductor 19.
[0041]
The mounting conductor 19 on which the semiconductor element 111 and the bonding wire 113 are arranged is housed in an outer case 21, and the outer case 21 is attached to the radiator 13.
[0042]
An external connection terminal 23 for making an electrical connection to the outside is inserted into the exterior case 21, and is electrically connected to a circuit component by a bonding wire 113. The inside of the outer case 21 is filled with an insulating resin 25.
[0043]
Here, the radiator 13 is, for example, aluminum, copper, or MMC (Metal Matrix Composite). Note that a cooler 15 may be used instead of the heat radiator 13 as the heat radiating means. As the cooler 15, an air-cooled or water-cooled heat sink formed of a metal body such as aluminum is suitable.
[0044]
The sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 is formed by pressing the sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 until the thickness of the sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 becomes 80% or less of the initial thickness of the base material.
[0045]
As a base material of the sheet-shaped heat-dissipating insulator 17, an epoxy resin having excellent insulating properties and adhesiveness is preferable. Using at least one type of epoxy resin as a main agent, and using them as curing agents such as acids or acid anhydrides, phenols, amines, polyaminoamides, dicyandiamide, imidazoles, and imidazole compounds as curing accelerators. A tertiary amine, a phosphorus compound, or the like is used.
[0046]
Further, the base material of the sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 contains a filler for maintaining thermal conductivity. As the filler, for example, aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, alumina and the like are preferable. is there. Further, in addition to these, for example, a fused silica powder, a quartz powder, a glass powder, a short glass fiber, or the like may be combined.
[0047]
Further, it is possible to add at least one of a low-stress agent, a flame retardant, a coupling agent, a release agent, and a pigment to the base material of the sheet-shaped heat radiation insulator 17. Particles such as silicone, rubber, and polyolefin or oils may be added.
[0048]
Further, a flame retardant may be added to the base material of the sheet-shaped heat radiation insulator 17. As the flame retardant, for example, a bromine-based or chlorine-based halogen-based flame retardant, an inorganic flame-retardant, or the like is used.
[0049]
Further, a coupling agent such as silane, various waxes as a release material, a pigment such as carbon black, and the like are used.
[0050]
A metal foil or a metal plate of copper or the like is suitable for the mounting conductor 19. It is preferable that the surface of the metal foil or the metal plate is plated with nickel or the like for connection with the bonding wire 113.
[0051]
The mounting conductor 19 may be divided into a plurality of parts depending on the specification, and a power semiconductor element and a control semiconductor element may be arranged on the divided patterns.
[0052]
As the semiconductor element 111, for example, various power devices such as an IGBT, a power MOSFET, a power BJT, a thyristor, a GTO thyristor, an SI thyristor, and a diode can be used.
[0053]
Further, control circuits such as an nMOS control circuit, a pMOS control circuit, a CMOS control circuit, a bipolar control circuit, a BiCMOS control circuit, and a SIT control circuit can be used in the semiconductor device. These control circuits may include an overvoltage protection circuit, an overcurrent protection circuit, and an overheat protection circuit.
[0054]
Further, in addition to the semiconductor element 111, for example, various electronic components such as a resistor, a capacitor, a coil, and the like, and a circuit such as a power supply may be mounted, or a simple module configuration in which only a power semiconductor element is mounted may be used.
[0055]
As the bonding wire 113, for example, a metal wire such as gold, copper, or aluminum is used. The bonding wire 113 may be a metal ribbon of gold, copper, aluminum, or the like, instead of the wire, or a bonding band made of a band-shaped material similar to the ribbon.
[0056]
The outer case 21 is preferably made of, for example, a material containing polyphenylene sulfide, polybutylene phthalate, or the like as a main component, and further filling an inorganic filler as needed.
[0057]
As the insulating resin 25, for example, silicone gel, silicone rubber, epoxy resin, polyurethane resin and the like are preferable.
[0058]
FIG. 2 is a drawing showing the result of examining the correlation between the thermal conductivity of the sheet-shaped heat radiation insulator 17 and the average dielectric breakdown strength.
[0059]
First, as is clear from the figure, in the case of a sheet-shaped heat-dissipating insulator that has not been subjected to a pressure treatment, the dielectric breakdown strength in a region of a thermal conductivity of 0 to 2 W · m / K is 30 kV / mm or more. A remarkable decrease occurs in the vicinity of 2 W · m / K to 3 W · m / K, and about 10 kV / mm is shown in a region exceeding 3 W · m / K.
[0060]
On the other hand, in the sheet-shaped heat radiation insulator 17 used in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the thermal conductivity is 2 W · m / K to 3 W · m / K, and even after that. A decrease in the dielectric breakdown strength is suppressed, and the dielectric breakdown strength is maintained at 30 kV / mm, and there is no significant decrease up to the high thermal conductivity region.
[0061]
FIG. 3 is a drawing showing the result of examining the relationship between the thickness of the sheet-shaped heat-dissipating insulator having a thermal conductivity of 3 W · m / K after the pressure treatment and the average dielectric breakdown strength.
[0062]
As is evident from this figure, the sheet-shaped heat-dissipating insulator to which aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, alumina, etc. are added as fillers having thermal conductivity has a high insulating property by applying a certain pressure treatment. It can be seen that characteristics can be obtained. That is, the sheet-shaped heat-dissipating insulator has a dielectric breakdown strength of 30 kV / mm or more by being compressed to 80% or less of the initial thickness of the base material. In FIG. 3, the minimum value of the variation in the dielectric breakdown strength when the thickness after pressing was 80% of the initial thickness was 35 kV / mm.
[0063]
From this, it is possible to maintain the dielectric breakdown strength of 30 kV / mm or more by performing the pressure treatment until the sheet-shaped heat radiation insulator 17 becomes 80% or less of the initial thickness of the base material. I understand. As can be seen from FIG. 3, the lower limit of the thickness after the pressure treatment is 80% or less of the initial thickness. However, the physical limit at the time of the pressure treatment is the lower limit.
[0064]
FIG. 4 shows the dielectric breakdown strength of the semiconductor device using the prior art (comparative example) and the semiconductor device according to the first embodiment at a constant cycle by repeatedly applying a temperature cycle of −40 ° C. to 125 ° C. 6 is a drawing showing the result of examining.
[0065]
As is clear from this figure, in the comparative example, the dielectric breakdown strength is reduced around the number of cycles exceeding 500, whereas in the semiconductor device according to the first embodiment, the number of cycles reaches 1,000. However, sufficient dielectric breakdown strength is maintained. This is presumably because in the comparative example, cracks and the like occurred in the insulating substrate due to repeated temperature cycles, and the insulating performance was reduced. On the other hand, in the semiconductor device according to the first embodiment, such deterioration does not occur, and a sufficient dielectric strength can be maintained even when the temperature cycle is repeated.
[0066]
Here, a method of manufacturing the semiconductor device 1 according to the first embodiment will be described.
[0067]
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
[0068]
First, as shown in FIG. 5A, a base material 17a to be a sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 is placed on the heat radiator 13 or the cooler 15, and the base material 17a is, for example, hot pressed or vacuumed. Pressing is performed until the thickness becomes 80% or less from the initial thickness of the base material by a method such as molding or calendering to form the sheet-like heat radiation insulator 17 in FIG. After the pressure molding, it is necessary that the sheet-shaped heat radiation insulator 17 be maintained in the B-stage state of the epoxy resin without being completely cured.
[0069]
According to this manufacturing method, the sheet-shaped heat-dissipating insulator can be integrated with the heat-dissipator or the cooler without any gap, and a semiconductor device having high electrical characteristics and high heat dissipation can be obtained by suppressing the occurrence of partial discharge and the like.
[0070]
As described above, in the semiconductor device according to the first embodiment, the mounting conductor on which the semiconductor element is mounted and the radiator or the cooler are pressure-formed until the thickness becomes 80% or less from the initial thickness of the base material. Since the connection is made by the sheet-shaped heat radiation insulator, it is possible to achieve both improved heat radiation and high insulation characteristics. In addition, since the sheet-shaped heat-dissipating insulator is in the form of a sheet, no air bubbles enter during the manufacturing, so that the insulating property does not deteriorate during the manufacturing. In addition, a decrease in heat radiation due to loosening of a screw in a place where there is a lot of vibration hardly occurs, and high reliability can be obtained.
[0071]
(Second embodiment)
FIG. 6 is a sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment to which the present invention is applied.
[0072]
In the semiconductor device 2 according to the second embodiment, a semiconductor element 111 and a bonding wire 113 are arranged on an insulating substrate 31 via a conductive foil 33a, and the insulating substrate 31 is connected to the radiator 13 via a conductive foil 33b. Installed. Therefore, in the second embodiment, the heat radiator 13 is included as a mounting means on which the semiconductor element 111 is disposed.
[0073]
The heat radiator 13 is attached to a cooler 15 as a heat radiator through a sheet heat radiator 17 as a sheet heat radiator, and the sheet heat radiator 17 is cooled with the heat radiator 13. The space between the containers 15 is adhered.
[0074]
The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof is omitted. However, the sheet-shaped heat radiation insulator 17 is a base material that becomes the sheet heat radiation insulator 17 as in the first embodiment. Is formed under pressure so as to be 80% or less with respect to the initial thickness.
[0075]
Also in the semiconductor device 2 according to the second embodiment, it is possible to improve the dielectric breakdown strength, although it does not reach the level of the first embodiment. In addition, since the sheet-shaped heat radiation insulator 17 is simply inserted between the heat radiation body 13 and the cooler 15, it can be manufactured more easily than the semiconductor device of the first embodiment. Further, since the heat dissipation can be improved by this alone, it is possible to increase the strength by making the insulating substrate 17 thicker than before.
[0076]
The method of manufacturing the semiconductor device 2 may be the same as that of the first embodiment described above. The base material of the sheet-shaped heat radiation insulator 17 is placed on the cooler 15, and the base material 17a is After pressurizing by 80% or less from the initial thickness of the base material by a method such as pressing, vacuum forming, or calendering, the heat radiator 13 on which the constituent members as the semiconductor device are formed is pressed against the sheet-shaped heat radiating insulator 17. Thus, the semiconductor device 2 is completed.
[0077]
Although the semiconductor element 111 and the bonding wires 113 are arranged on the insulating substrate 31 via the conductive foil 33a in the second embodiment, the semiconductor element is arranged using a conductive substrate instead. May be.
[0078]
In the second embodiment, the sheet-shaped heat radiating insulator is provided only between the heat radiating body 13 and the cooler 15. However, between the insulating substrate 31 on which the semiconductor element is mounted and the heat radiating body 13 is further provided. Also, a sheet-shaped heat radiation insulator 17 may be provided. By doing so, it is possible to further improve the heat dissipation and obtain high insulation properties.
[0079]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment to which the present invention is applied.
[0080]
In the semiconductor device 3 according to the third embodiment, a lead frame 41 serving as a mounting means is adhered to a surface of a heat radiating body 43 serving as a heat radiating means by a sheet heat radiating insulator 17 serving as a sheet heat radiating insulating means. On the lead frame 41, a semiconductor element 111 and a bonding wire 113 are arranged.
[0081]
The sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 is pressure-formed so as to be 80% or less with respect to the initial thickness of the base material to be the sheet-shaped heat-dissipating insulator 17, as in the first embodiment. is there.
[0082]
At least portions of the semiconductor element 111 and the bonding wires 113 on the lead frame 41 are sealed and molded with the insulating resin 47.
[0083]
As the lead frame 41, a metal such as 42 alloy or copper is suitable, and its surface may be plated with nickel or the like.
[0084]
Note that a cooler 45 may be used instead of the heat radiator 43.
[0085]
As the insulating resin 47, an epoxy resin is preferable. For example, at least one type of epoxy resin selected from a group such as cresol novolak type, phenol novolak type, biphenyl type, dicyclopentadiene type, and naphthalene type is used as a main agent, and a curing agent is used. For example, acids or acid anhydrides, phenols, amines, polyaminoamides, dicyandiamide, imidazoles, and imidazole compounds, tertiary amines, phosphorus compounds, etc. are used as curing accelerators.
[0086]
Further, as a filler, for example, aluminum nitride, boron nitride, silicon nitride, alumina, fused silica powder, quartz powder, glass powder, short glass fiber, or a combination thereof may be used.
[0087]
Further, it is possible to add at least one of a low-stress agent, a flame retardant, a coupling agent, a release agent, and a pigment, and it is also possible to add particles such as silicone, rubber, and polyolefin or an oil as the low-stress agent. Good. As the flame retardant, for example, a halogen-based flame retardant such as a bromine-based or chlorine-based flame retardant, an inorganic flame retardant, or the like is used.
[0088]
Further, a coupling agent such as silane, various waxes as a release material, a pigment such as carbon black, and the like may be added.
[0089]
The insulating resin 47 may have a configuration in which the whole of the heat radiator 43 or the cooler 45 is sealed.
[0090]
A transfer molding method is suitable as a sealing molding method. In the case of using the transfer molding method, the sheet-shaped heat radiation insulator 17 can be press-molded by the molding pressure, and the production of the semiconductor device and the pressure treatment of the sheet heat radiation insulator can be performed simultaneously. For this reason, the yield of semiconductor devices is improved as compared with the case where the sheet-shaped heat-dissipating insulator is subjected to pressure treatment in a separate step, which is suitable for mass production.
[0091]
In the semiconductor device 3 according to the third embodiment having the above-described configuration, the lead frame 41 and the heat radiator 13 or the cooler 15 are also set to 80% of the initial thickness similarly to the first embodiment. Since the connection is made by the sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 which has been pressed until the temperature becomes below, it is possible to achieve both improved heat-dissipation properties and high insulation properties, and also obtain high reliability.
[0092]
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, the sheet-shaped heat radiation insulator 17 provided in the semiconductor device in each of the above embodiments has a three-layer structure.
[0093]
FIG. 8 is a cross-sectional view of the sheet-shaped heat radiation insulator according to the fourth embodiment.
[0094]
This sheet-shaped heat radiation insulator 17 is composed of three layers, a first laminate 71, a second laminate 73, and a third laminate 75, as shown in the figure.
[0095]
FIG. 9 is a drawing showing the results of measuring the dielectric breakdown strength of the sheet-shaped heat-dissipating insulator having the three structures and the single-layer sheet-shaped heat-dissipating insulator.
[0096]
The sheet-shaped heat-dissipating insulator having a three-layer structure has less variation in dielectric breakdown strength than the sheet-shaped heat-dissipating insulator having a one-layer structure, and has an average value (black square in the figure) having a single-layer structure. Higher than heat dissipation insulator.
[0097]
From this fact, it can be seen that the use of the three-layered structure of the sheet-shaped heat radiation insulator 17 reduces the variation in characteristics considered to be caused by initial defects such as voids, and has more excellent insulation characteristics and reliability.
[0098]
Further, in the sheet-like heat radiation insulator having a multilayer laminate structure according to the fifth embodiment, for example, the first laminate layer 71 and the second laminate layer 73 have a high thermal conductivity of 4 W · m / K class, and The laminate layer 75 has a high dielectric breakdown strength of about 100 kV / mm instead of a thermal conductivity of 2 W · m / K or less. And a layer having different thermal conductivity and different dielectric breakdown strength, such as a structure having a dielectric strength of 30 kV / mm.
[0099]
Such a sheet-shaped heat-dissipating insulator having different characteristics for each layer can be implemented by, for example, adjusting the type and amount of the filler.
[0100]
Further, two layers other than three layers may be used, or a multi-layer structure of three or more layers may be used.
[0101]
The sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 having a layered structure, having such a layered structure in the state of the base material in advance, and applying a pressure treatment to a thickness of 80% or less of the initial thickness of the base material. To The pressing process itself is the same as that described in each of the embodiments described above.
[0102]
By thus forming the sheet-shaped heat radiation insulator 17 into a layered structure, more excellent insulation characteristics and reliability can be obtained.
[0103]
In addition, since the sheet-shaped heat-dissipating insulator 17 has a layered structure, even if any or all of the layers contain initial defects such as voids or foreign matter at the time of manufacturing, voids or foreign matter may be contained in other layers. Insulation protection is possible as long as there is no mixing, or as long as voids and foreign matter mixing locations do not coincide over a plurality of layers, and higher insulation and reliability than a single layer can be obtained.
[0104]
The embodiments to which the present invention is applied have been described above. However, the present invention is not limited to these embodiments, and those skilled in the art will recognize the elements of each of the above embodiments within the scope of the technical idea of the present invention. Can be combined or changed.
[0105]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a semiconductor which has both high dielectric breakdown strength exceeding several tens of kV / mm and high thermal conductivity, has improved durability and reliability, and has excellent manufacturability. An apparatus can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing showing the relationship between the thermal conductivity and the dielectric breakdown strength of the sheet-shaped heat-dissipating insulator in the first embodiment.
FIG. 3 is a drawing showing the results of a dielectric breakdown strength test of a sheet-shaped heat radiation insulator in the first embodiment.
FIG. 4 is a drawing showing results of a dielectric strength test of the semiconductor device according to the first embodiment and a conventional semiconductor device.
FIG. 5 is a drawing for explaining the method for manufacturing the sheet-shaped heat radiation insulator according to the first embodiment.
FIG. 6 is a sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a sectional view of a sheet-shaped heat radiation insulator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a result of a dielectric breakdown strength test of a sheet-shaped heat radiation insulator according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a sectional view showing a conventional semiconductor device.
FIG. 11 is a sectional view showing a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3 semiconductor devices
13,43 Heat radiator
17 Sheet heat radiation insulator
31 Insulating substrate
19 Conductors for mounting
111 semiconductor element
113 Bonding wire
21 Outer case
23 External connection terminal
25, 47 Insulating resin
15, 45 cooler
33a, 33b conductive foil
41 Lead frame
71 First laminate layer
73 Second laminate layer
75 Third laminate layer

Claims

Mounting means on which the semiconductor element is arranged;
Radiating means for radiating heat of the semiconductor element from the mounting means,
A sheet-shaped heat-dissipating insulating means that connects the mounting means and the heat-dissipating means and is pressure-molded to a thickness of 80% or less with respect to the initial thickness of the base material;
A semiconductor device comprising:

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said mounting means is a conductor.

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the mounting means is an insulating substrate on which the semiconductor element is mounted via a conductive foil.

The mounting means includes a radiator,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the sheet-like heat radiation insulating unit connects the heat radiation body and the heat radiation unit. 5.

2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said mounting means is a metal frame.

The sheet-shaped heat-dissipating insulation means is pressure-formed after placing a base material serving as a sheet-shaped heat-dissipation insulation means on the heat-dissipation means. 3. The semiconductor device according to claim 1.

6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the semiconductor element is sealed with an insulating resin, and the sheet-shaped heat-dissipating and insulating unit is press-formed by a sealing pressure of the insulating resin.

The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7, wherein the sheet-shaped heat radiation insulating means has a multilayer structure.

9. The sheet-shaped heat radiation insulating means is a combination of a first layer having higher thermal conductivity than other layers and a second layer having higher insulating property than the first layer. 13. The semiconductor device according to claim 1.